Nghiên cứu nền phông của Xe-133 trong khí quyển toàn cầu trong khuôn khổ Hiệp ước cấm thử hạt nhân toàn diện
16:04 24/09/2019: Hệ thống quan trắc quốc tế (IMS), được thành lập như một phần của Hiệp ước cấm thử hạt nhân toàn diện (CTBT), được thiết kế để theo dõi các tham số môi trường chính nhằm cung cấp bằng chứng về các vụ thử vũ khí hạt nhân. Dấu hiệu của vụ nổ hạt nhân được theo dõi, sử dụng công nghệ dạng sóng (địa chấn, thủy âm và siêu âm) và công nghệ hạt nhân phóng xạ (hạt và khí hiếm). Hiện tại, khoảng 90% các trạm của hệ thống quan trắc (321 trạm giám sát và 16 phòng thí nghiệm hỗ trợ), được trang bị một hoặc nhiều công nghệ này đang được xây dựng và vận hành. Thành phần hạt nhân phóng xạ của mạng IMS bao gồm 80 trạm hạt; trong đó 40 trạm được trang bị thêm thiết bị quan trắc Xenon phóng xạ. Mạng IMS sẽ được hỗ trợ bởi 16 phòng thí nghiệm hạt nhân phóng xạ để phân tích hoặc phân tích lại các mẫu hạt phóng xạ khi cần.
Việc quan trắc nồng độ xenon phóng xạ trong khí quyển thích hợp để cung cấp bằng chứng về bản chất hạt nhân của các vụ nổ trong bầu khí quyển hoặc dưới lòng đất. Tuy nhiên, khi thiết kế mạng IMS, những ảnh hưởng của việc phát tán khí xenon vào khí quyển từ các hoạt động công nghiệp chưa được xem xét và đánh giá. Hiện nay người ta biết rằng lượng xenon xuất phát từ công nghiệp có thể ảnh hưởng đến khả năng phát hiện xenon bắt nguồn từ các vụ thử nghiệm hạt nhân. Do đó, nảy sinh nhu cầu mô tả sự phân bố của khí xenon bắt nguồn từ các hoạt động công nghiệp – được gọi là nền phông xenon trong khí quyển – cho mục tiêu thực hiện Hiệp ước CTBT.
Công việc đặc trưng hóa nền phông Xe-133 cho các trạm quan trắc của CTBTO thông qua các tính toán mô phỏng trở nên quan trọng cho việc cải thiện khả năng phát hiện các bằng chứng về vụ nổ thử hạt nhân phóng xạ. Khi biết rõ về nền phông Xe-133 của trạm quan trắc, người ta có thể khẳng định khả năng phát hiện được xenon phóng xạ có nguồn gốc từ vụ nổ thử hạt nhân của mạng quan trắc IMS.
Bài viết này giới thiệu kết quả nghiên cứu ban đầu nền phông Xe-133 trong khí quyển từ các nguồn công nghiệp dựa trên tính toán mô phỏng với dữ liệu trong 2 năm (2013-2014) của các nhà khoa học và cũng là các nỗ lực đầu tiên của họ để phân tích sự đóng góp vào nền phông Xe-133 khí quyển của các nguồn công nghiệp tại các trạm IMS nhằm mục tiêu cải thiện khả năng phát hiện xenon phóng xạ từ các vụ nổ hạt nhân của hệ thống quan trắc quốc tế của CTBTO.
1. Nguồn phát và lượng xenon phóng xạ từ cơ sở công nghiệp
Nguồn phát xenon phóng xạ
Theo dõi các hạt nhân phóng xạ trong khí quyển - phóng xạ hạt và khí phóng xạ (xenon) - có tầm quan trọng hàng đầu để xác nhận bản chất hạt nhân của một vụ nổ. Trong trường hợp thử vũ khí hạt nhân dưới lòng đất, khí xenon phóng xạ có khả năng thoát ra ngoài khí quyển cao hơn nhiều so với hạt nhân phóng xạ hạt, do vậy trong trường hợp này Xenon phóng xạ có thể là bằng chứng duy nhất để xác nhận bản chất hạt nhân của vụ nổ. Bởi vậy, quan trắc Xenon phóng xạ là một bước quan trọng, phân biệt vụ nổ thường và nổ hạt nhân trong khuôn khổ Hiệp ước CTBT. Bốn trong số các đồng vị xenon được tạo ra trong phản ứng phân hạch hạt nhân, Xe-131 m (11,93 ngày), Xe-133 (5,25 ngày), Xe-133 m (2,18 ngày) và Xe-135 (9,14 h), được sản sinh với lượng thích hợp và có thời gian bán hủy đủ dài để có thể di chuyển quãng đường dài đến các trạm IMS và được phát hiện tại đó.
Tuy nhiên, bốn đồng vị xenon phóng xạ trên đây cũng được sinh ra bởi các cơ sở dược phẩm phóng xạ và các nhà máy điện hạt nhân như được nêu trong bảng 1 dưới đây.
Bảng 1. Các nguồn xenon phóng xạ trong khí quyểna
  Độ lớn phát thải Xenon
Bệnh viện ~ 106 Bq/ngày
Lò phản ứng nghiên cứu ~ 109 Bq/ngày
Nhà máy điện hạt nhân ~ 109 Bq/lò/ngày
Nhà máy sản xuất đồng vị cho y tế ~ 109 đến 1013Bq/ngày
Nổ hạt nhân 1 kt Cực đại 1016 Bqb (tùy thuộc vào tốc độ rò rỉ)
Tai nạn tại Fukushima (3/2011) ~ 1019 Bq/ngày
aĐể so sánh, bậc độ lớn của sự rò rỉ dự đoán trong vụ nổ hạt nhân 1 kt và tai nạn hạt nhân được nêu trong 2 hàng cuối.
b Trong trường hợp thử hạt nhân dưới lòng đất, rò rỉ xenon phóng xạ tiền năng vào khí quyển có thể nhỏ hơn nhiều tùy thuộc vào vụ nổ và tốc độ rò rỉ
Những cơ sở và nhà máy này hàng ngày xả khí thải, bao gồm cả xenon phóng xạ, vào trong khí quyển, tạo nên nền phông xenon phóng xạ địa phương và toàn cầu. Mỗi cơ sở sản xuất đồng vị y tế hàng ngày thải ra đến khoảng vài TBq Xe-133 và các nhà máy điện hạt nhân là vài GBq Xe-133 mỗi lò phản ứng.
Để so sánh, trong trường hợp thử nghiệm vũ khí hạt nhân dưới lòng đất công suất 1 kt (tương đương 1000 tấn thuốc nổ TNT), nếu 1% Xe-133 được sinh ra ban đầu nhanh chóng thoát vào bầu không khí, sẽ đưa một vài phần mười TBq của Xe-133 vào khí quyển. Do đó, tùy vị trí rò rỉ và điều kiện khí tượng, lượng Xe-133 từ các hoạt động công nghiệp có khả năng được phát hiện tại các trạm IMS với mức độ tương tự như lượng Xe-133 ​​từ vụ nổ hạt nhân. Kết quả là, khả năng phân biệt giữa các nguồn dân sự với các vụ thử nghiệm hạt nhân của mạng IMS có thể bị suy giảm so với dự kiến ​​nếu nguồn gốc và mức độ của nền phông xenon phóng xạ công nghiệp không được biết và giải thích. Nhiều nghiên cứu trước đây về nền phông xenon trong khí quyển đã chỉ ra rằng nguồn gốc của nền phông xenon có thể là sự kết hợp của các nguồn địa phương, với mức biến động hàng ngày cao và tùy thuộc vào sự thay đổi theo mùa.
Mô phỏng số về vận chuyển khí quyển là một công cụ thích hợp để cung cấp thông tin về nền phông xenon tại bất kỳ nơi nào trên trái đất. Trong số bốn đồng vị xenon phóng xạ được quan tâm, nghiên cứu hiện tại chỉ tập trung vào Xe-133. Điều này xuất phát từ thực tế rằng bốn đồng vị hiếm khi được phát hiện đồng thời (một số đồng vị không có mặt hoặc nồng độ của chúng dưới giới hạn phát hiện) bởi các trạm IMS và hầu hết các trạm chỉ đo được một mình Xe-133. Hơn nữa, sự thải ra từ công nghiệp của ba đồng vị kia còn ít được biết đến.
Lượng phát thải (số liệu thống kê) của khí Xe-133 phát thải từ các cơ sở công nghiệp
Vị trí và số lượng phát thải của các cơ sở công nghiệp là rất quan trọng cho nghiên cứu mô hình vận chuyển khí quyển của nền phông xenon phóng xạ. Bảng 1 cho ta thấy  tổng quan về mức phát thải xenon từ các nhà sản xuất công nghiệp chính.
Khí thải từ các bệnh viện và lò phản ứng nghiên cứu thấp so với các cơ sở sản xuất đồng vị cho y tế và nhà máy điện hạt nhân (mặc dù tác động của chúng đôi khi có thể quan sát được nếu một trạm IMS nằm ở gần khu vực đó). Do đó, các bệnh viện và lò phản ứng nghiên cứu không được tính đến trong nghiên cứu này. Hình 1 cho thấy vị trí của các nguồn đã biết được xem xét ở đây.
Hình 1: vị trí của các nguồn phát thải
Trước năm 2009 tổng lượng phát thải xenon hàng năm đối với tất cả các nhà máy hạt nhân là 1,1×103 TBq qua cách thức phát thải liên tục và 2.2×102 TBq qua cách thức phát thải kiểu xung (tức là tại thời điểm bất kỳ) cho tổng số 439 lò phản ứng tại 195 địa điểm trên toàn thế giới. Trong nghiên cứu này, số liệu thống kê phát thải cho các nhà máy điện hạt nhân (NPP) đã được tạo ra bằng cách cập nhật số lượng lò phản ứng và địa điểm (loại bỏ tất cả các lò tại Nhật Bản vì chúng bị đóng cửa sau vụ tai nạn ở Fukushima năm 2011). Và giả định rằng khí phát thải hoàn toàn là Xe-133. Kết quả số liệu thống kế phát thải từ NPP được sử dụng trong nghiên cứu này đại diện cho 383 lò phản ứng hoạt động tại 178 địa điểm trên toàn thế giới, lượng phát thải tổng cộng là 3,2 TBq Xe-133 mỗi ngày được nêu trong bảng 2. Các địa điểm của NPP nêu trong hình 1. 
Đối với các cơ sở sản xuất đồng vị y tế (MIP), số liệu thống kê phát thải xenon được sử dụng trong nghiên cứu này đại diện cho 9 MIP (vòng tròn màu đỏ trong Hình 1), lượng phát thải tổng cộng khoảng 48 TBq/ngày (được so sánh với 3,2 TBq/ngày đối với NPP).
Bảng 2. Số liệu thống kê phát thải và đặc điểm kỹ thuật chính được sử dụng cho MIP và NPP
 
  Số điểm phát Số phần tửa Tổng  Bq Xe-133 rò rỉ/ngàyb Thời điểm bắt đầu rò rỉ (UT) Thời điểm kết thúc rò rỉ (UT)
Location/Name of MIP
Argentina (Ezeiza)/CNEA 1 106 1.00E+12 11:00 16:00
Australia (Lucas Heights)/ANSTO 1 106 2.00E+12 00:00 05:00
Belgium (Fleurus)/IRE 1 106 2.70E+12 07:00 12:00
Canada (Chalk River)/MDS Nordion 1 106 1.64E+13 13:00 20:00
China (Chengdu)/HFETR 1 106 1.00E+12 00:00 05:00
Indonesia (Jakarta)/BaTek 1 106 2.80E+12 01:00 06:00
Pakistan (Islamabad)/PINSTECH PARR-1 1 106 1.00E+12 03:00 08:00
Russia (Dimitrovgrad)/NIIAR 1 106 1.00E+12 03:00     08:00
South Africa (Pelindaba)/NECSA 1 106 1.30E+13 06:00 11:00
Total 9 9 x 106 4.79E+13    
NPPs
Total 178 5.9 × 106 3.21E+12 [6] 178 5.8 x 106 3.21E+12 Phát thải liên tục
aSố phần tử tổng cộng trong mô hình FLEXPART trên mỗi mô phỏng.
bNguồn Xe-133 dự tính cho MIP
2. Phương pháp mô phỏng phát tán
Mô hình phán tán khí quyển
Mô hình phán tán phần tử Lagrangian 3-chiều FLEXPART phiên bản 8.2 đã được sử dụng cho việc mô hình hóa vận chuyển khí quyển. Mô hình phần tử Lagrangian tính toán quỹ đạo của lượng lớn khối không khí (được gọi là các phần tử) để mô tả sự vận chuyển và khuếch tán của các hạt tử hoặc khí phóng xạ trong khí quyển.
 Trong nghiên cứu này, mô hình FLEXPART đã được sử dụng để mô phỏng sự phán tán của Xe-133. Mô hình này giải thích Xe-133 như một loại khí hiếm trơ, có quá trình phân rã phóng xạ với chu kỳ bán rã là 5,25 ngày. Các nhà khoa học đã sử dụng mô hình FLEXPART với các trường gió khí tượng của Hệ thống Dự báo Toàn cầu (GFS) của Trung tâm Dự báo Môi trường Quốc gia (NCEP) với độ phân giải 6h và 0,5°x0,5°. Mô phỏng được trình bày trong bài viết này bao phủ khoảng thời gian hai năm, sử dụng dữ liệu khí tượng của năm 2013 và 2014.
Các nguồn phát xenon công nghiệp dùng trong tính toán mô phỏng
Số liệu thông kê phát thải được sử dụng làm đầu vào cho các phép mô phỏng được dựa trên số liệu thông kê được trình bày trong phần 1 ở trên. Mười lăm bộ nguồn đã được xác định. Các NPP đã được chia thành sáu nhóm được xác định theo từng khu vực trên thế giới (Châu Âu, Mỹ, v.v.). Các MIP đã được xem xét riêng lẻ, do lượng phát thải tương đối lớn. Theo phương pháp này, có thể xác định nguồn gốc chính của xenon phóng xạ được mô phỏng tại vị trí của các trạm IMS.
Mô tả về thời điểm và thời gian phát thải là các thông số đầu vào quan trọng cho mô hình vận chuyển khí quyển. Phát thải từ NPP đã được coi là liên tục trong vòng 24 giờ. Phát thải từ MIP đã được thực hiện trong vài giờ vào buổi sáng (giờ địa phương) dựa trên thông tin từ các nhà sản xuất tại IRE (Fleurus, Bỉ) và MDS-Nordion (Chalk Rive, Canada) và đã được ngoại suy cho các MIP khác. Bảng 2 trình bày các thông số kỹ thuật chính được sử dụng trong các tính toán mô phỏng để mô tả sự phát thải với tất cả các cơ sở được nhận diện và được cho là đang hoạt động.
3. Số liệu đo đạc Xenon từ hệ IMS
Các phép đo và phương pháp so sánh
Công nghệ đo xenon phóng xạ, tuân thủ các yêu cầu CTBT, đã được thử nghiệm và được đánh giá trước khi vận hành. Ba loại hệ thống đo tự động được phát triển độc lập bởi Pháp, Nga và Thụy Điển hiện đang được sử dụng trong mạng IMS: (i) SPALAX ((Hệ đo khí hiếm tự động của Pháp), (ii) SAUNA (Hệ đo khí hiếm tự động của Thụy Điển) và (iii) ARIX (Máy phân tích Đồng vị Xenon phóng xạ của Nga). Các nguyên tắc vật lý cơ bản là tương tự cho cả ba hệ thống, chỉ khác nhau về phương pháp kỹ thuật của chúng. Về cơ bản, trong các hệ thống này, đầu tiên lấy mẫu không khí và sau đó xử lý để tách và cô đặc xenon. Hoạt độ của xenon sau đó được đo bằng hệ phổ kế gamma phân giải cao (SPALAX) hoặc phổ trùng phùng beta-gamma (SAUNA và ARIX). Để được CTBTO cấp chứng nhận, các trạm quan trắc khí hiếm phải đáp ứng một số tiêu chí, bao gồm hàm lượng phát hiện tối thiểu (MDC) thấp hơn hoặc bằng 1 mBq/m3 đối với Xe-133, thời gian thu gom mẫu ít hơn hoặc bằng 24 giờ và khả năng cung cấp dữ liệu lớn hơn 95%. Số liệu đo từ các trạm IMS được xử lý và phân loại bởi Trung tâm dữ liệu quốc tế (IDC) của CTBTO, từ đó gửi dữ liệu đến Trung tâm dữ liệu quốc gia (NDC) của các quốc gia thành viên để họ tự đánh giá và quyết định.
Trong giai đoạn 2013-2014, 29 trạm quan trắc xenon của IMS đã thu thập dữ liệu, trong đó 11 trạm có thời gian thu gom 24 giờ và 18  trạm khác có thời gian thu gom 12 giờ. Vị trí của các trạm quan trắc của IMS được hiển thị trong Hình 1 (hình vuông rỗng là các trạm có thời gian thu gom 12 giờ; hình vuông đặc màu đen là các trạm có thời gian thu gom 24 giờ; dấu cộng là các trạm không cung cấp số liệu trong khoảng thời gian của nghiên cứu này). Đối với mỗi mẫu được phân tích, kết quả đo là nồng độ hoạt độ trung bình trong 12h (hoặc 24 giờ, tùy thuộc vào thời gian thu gom mẫu của trạm); Nồng độ hoạt độ tối thiểu có thể phát hiện (MDC), là nồng độ Xe-133 thấp nhất có thể được phát hiện một cách đáng tin cậy bằng hệ thống đo; và giới hạn tới hạn, là mức dưới nó không thể phát hiện được Xe-133.
 
Bảng 3. Số lượng phép đo tại các trạm IMS và ngưỡng nồng độ hoạt độ được sử dụng trong nghiên cứu hiện tại
 
Trạm IMS Số lượng phép đo được sử dụng Ngưỡng     Trạm IMS Số lượng phép đo được sử dụng Ngưỡng














Chữ đậm: Trạm có thời gian thu gom mẫu 24h. Chữ in nghiên: trạm không cung cấp số liệu trong thời gian nghiên cứu (2013–2014). Các số nhỏ: 1. trạm đã cấp chứng nhận. 2.  trạm đã lắp đặt; 3. trạm có kế hoạch lắp đặt. Vị trí của trạm hiển thị trong hình 1.
Trong nghiên cứu hiện tại, các số liệu quan trắc của các trạm IMS được sử dụng để đánh giá các tính toán mô phỏng. Để so sánh người ta sử dụng giá trị trung bình hàng năm thay vì dữ liệu hàng ngày. Chỉ những nồng độ đo được và mô phỏng lớn hơn hay bằng ngưỡng nồng độ được sử dụng. Ngưỡng nồng độ đã được chọn dựa trên số liệu của trạm trong 2 năm (2013-2014) để xem xét chỉ các giá trị có ý nghĩa của nồng độ hoạt độ Xe-133. Bảng 3 liệt kê các trạm quan trắc có số liệu cung cấp được sử dụng cùng với ngưỡng nồng độ của mỗi trạm. Ngưỡng nồng độ tương tự như MDC trung bình hoặc giới hạn tới hạn tùy thuộc vào mỗi trạm. Tất cả có 29 trạm hoạt động trong năm 2013 và 2014, và tổng cộng 6000 số liệu đo đã được sử dụng cho nghiên cứu này.  
4. Kết quả
Dưới đây là kết quả của các tính toán mô phỏng nền phông Xe-133 trong 2 năm theo phương pháp giới thiệu ở trên. Mô phỏng cho ta hình dung nền phông Xe-133 trong khí quyển trên phạm vi toàn cầu. Đồng thời kết quả tính toán mô phỏng cho các trạm quan trắc cũng được so sánh với kết quả đo thực tế của các trạm và được dùng để cung cấp cho chúng ta sự hiểu biết ban đầu về sự đóng góp vào nền phông Xe-133 trong khí quyển từ các cơ sở sản xuất đồng vị phóng xạ và nhà máy điện hạt nhân. Thêm nữa, kết quả mô phỏng được sử dụng để đánh giá khả năng phát hiện nền phông Xe-133 khí quyển tại các trạm IMS.
Phân bố toàn cầu nền phông Xe-133 trong khí quyển
Hình 2. Nồng độ hoạt động trung bình hàng năm của Xe-133 được tính từ dữ liệu được mô phỏng trong 2 năm, trên mặt đất (từ 0-100 m). Các trạm quan trắc Xe là ô vuông màu đen 
Trung bình hàng năm của nồng độ hoạt độ Xe-133 được tính toán gần bề mặt trái đất (từ 0 -100 m) cho thấy một sự thay đổi lớn theo không gian (Hình 2). Ở Bắc bán cầu, đối với các vĩ độ lớn hơn 20°N, nồng độ hoạt độ Xe-133 lớn hơn 0,1 mBq/m3 và từ nửa phía đông của miền Bắc Mỹ đến lục địa châu Á lớn hơn 0,5 mBq/m3. Hầu hết dải xích đạo và ở phần vĩ độ cao của miền Nam Bán cầu, nồng độ hoạt độ Xe-133 gần như bằng không. Trong dải vĩ độ 20°S, 60°S của Nam bán cầu, nồng độ hoạt độ trung bình hàng năm của Xe-133 cũng khá cao. Tuy nhiên, đối với Nam bán cầu, trung bình hàng năm lớn hơn 0,5mBq/m3 giới hạn ở các khu vực trong bốn MIPs chính: ở Argentina, Nam Phi, Indonesia và Úc. Những khác biệt này phản ánh thực tế rằng các nguồn ở Bắc bán cầu và Nam bán cầu chịu ảnh hưởng của các hướng gió khu vực khác nhau. Các MIP đặt tại Canada, Nga và Bỉ, mức phát thải cao nhất ở Bắc bán cầu là nằm trên 30°N, nơi mà gió tây có xu hướng thúc đẩy việc vận chuyển khí thải phát ra trong phạm vi dài khắp Bắc bán cầu. Mặt khác, các MIP ở Nam bán cầu được đặt ở những vùng có áp suất cao ở khoảng 30°S, nơi gió thường nhẹ hơn. Ví dụ, ảnh hưởng của MIP ở Nga, theo nghĩa phạm vi không gian, lớn hơn ảnh hưởng của MIP ở Nam Phi. Tương tự, MIP tại Bỉ ảnh hưởng lớn hơn về khía cạnh phạm vi không gian so với MIP tại Úc. Tính toán mô phỏng cũng cho thấy đóng góp của NPP vào nền phông Xe-133 khí quyển chủ yếu mang tính địa phương và giới hạn trong khu vực nửa phía đông của Châu Mỹ, Châu Âu và Đông Nam Á. Ngoài ra, các nghiên cứu mô phỏng tập trung vào việc vận chuyển theo chiều thẳng đứng của Xe-133 có thể giúp hiểu được việc vận chuyển thẳng đứng có thể phân bố lại Xe-133 trong phạm vi toàn cầu ở mức độ nào và do đó nó đóng góp ở mức độ nào và như thế nào vào các phép đo trên bề mặt trái đất.
Nền phông Xe-133 khí quyển tại các trạm IMS
Kết quả mô phỏng đã được so sánh với các phép đo trong năm 2013 và 2014 tại các trạm IMS đang hoạt động theo phương pháp được mô tả trong phần trên. Giá trị trung bình hàng năm của nồng độ hoạt độ Xe-133 đo được và mô phỏng được trình bày trong Hình 3. Các tính toán mô phỏng tái tạo khá tốt kết quả đo nồng độ hoạt độ trung bình của Xe-133. Đối với hơn 80% các trạm IMS, các phép đo được tái tạo bởi mô phỏng với độ khác nhau chỉ khoảng 2 lần. Ngoài ra, sự thay đổi của nồng độ hoạt độ Xe-133 được quan sát từ trạm này sang trạm khác cũng được tái tạo rất tốt bởi các phép mô phỏng. Thật vậy, chỉ có năm trạm IMS có nồng độ hoạt độ đo được lớn hơn 1mBq/m3 và điều này được tái tại bằng các mô phỏng (giá trị cực đại đo được và mô phỏng tại US75-Charlottesville). Điều tương tự cũng xảy ra với hai trạm IMS có nồng độ hoạt động được đo thấp nhất (PA50-PanamaThành phố và US79-Oahu, Hawaii).
Hình 3. So sánh giữa nồng độ hoạt động trung bình hàng năm của Xe-133 được mô phỏng (màu xanh) ở mặt đất và được đo (màu đỏ) tại vị trí của các trạm khí hiếm IMS.
Sự khác biệt lớn nhất của giá trung bình hàng năm giữa mô phỏng và đo đạc chỉ khoảng từ 2 đến 3 lần cho 05 trạm: trạm DE33 tại Freiburg, Đức, CN22 tại Quảng Châu, Trung Quốc, CM13 tại Edea, Cameroon, FR29 tại Reunion và FR30 tại Kerguelen. Đối với DE33 và CN22, do những trạm này nằm gần các cơ sở sản xuất xenon phóng xạ, kết quả có thể bị ảnh hưởng bởi hai nguồn sai số chính. Thứ nhất, phát thải trung bình trong tính toán mô phỏng không tích hợp số giờ thực, thời điểm và độ lớn của sự phát thải (việc dừng sản xuất vào cuối tuần hoặc các thời điểm sản xuất cao trào đặc biệt không được đưa vào mô phỏng). Thứ hai, khi khoảng cách giữa nguồn và trạm thấp hơn hoặc tương đương độ phân giải không gian của dữ liệu khí tượng được sử dụng, chế độ gió cục bộ không được mô tả, và do đó, mô phỏng không thể tính toán chính xác sự vận chuyển khí quyển ở các quy mô đó. Sự hạn chế này được áp dụng cụ thể cho trạm DE33-Freiburg nằm ở khu vực miền núi với sáu lò phản ứng hạt nhân trong bán kính 60 km (một trong số đó chỉ cách trạm 25 km). Căn cứ vào độ phân giải không gian của dữ liệu khí tượng được sử dụng trong nghiên cứu này, sự phát thải từ các NPP này sẽ góp phần tạo ra tín hiệu bão hòa tại DE33 và dẫn đến đánh giá quá cao có tính hệ thống nồng độ hoạt độ mô phỏng. Sự hạn chế này có xu hướng ít rõ rệt hơn nếu khí thải cục bộ không chiếm ưu thế (ví dụ: một trạm, ở gần NPP nhưng bị ảnh hưởng chủ yếu bởi sự phát thải lớn hơn từ MIP xa hơn). Ví dụ, đó là trường hợp của trạm US75-Charlottesville, Hoa Kỳ, cách NPP khoảng 50 km và cách MIP Chalk River 900 km.
Đối với các trạm FR29-Reunion, FR30-Kerguelen và CM13-Edea, các giá trị mô phỏng thấp hơn giá trị phép đo. MIP nằm ở Pelindaba (Nam Phi) ảnh hưởng chủ yếu lên nồng độ hoạt độ tại ba trạm này. Có thể có hai nguồn sai số chính. Một mặt, sự phát thải trung bình được đưa vào mô phỏng có thể giải thích một phần của sai số. Mặt khác, trái với trường hợp trước (DE33 và CN22 đã thảo luận ở trên), ba trạm này nằm xa từ nguồn đóng góp chính của chúng, lần lượt là 2800km (FR29), 3800km (CM13) và 4400km (FR30). Ở đây độ phân giải không gian của dữ liệu khí tượng được sử dụng là phù hợp. Tuy nhiên, trong trường hợp này, sai số trong mô hình vận chuyển khí quyển (nhất là gió tây mạnh ở Nam bán cầu và/hoặc vận chuyển khí quyển theo vĩ độ) có khả năng đóng góp vào sự khác biệt.
Thành phần của nền phông khí quyển tại các trạm IMS
Sự đóng góp của các nguồn phát thải xe-133 vào nồng độ Xe-133 trung bình được mô phỏng tại mỗi trạm trong số 39 IMS trạm (đang hoạt động và đã lên kế hoạch) được trình bày trong Hình 4. Sự đóng góp được tính theo phần trăm của nồng độ hoạt độ Xe-133 trung bình đã mô phỏng tại các trạm.
Đối với các trạm nằm xuôi gió từ các cơ sở công nghiệp lớn, nồng độ hoạt độ bị ảnh hưởng lớn bởi các cơ sở sản xuất xenon lân cận: nền phông Xe-133 được tính toán tại trạm CA17-Saint John's và US75-Charlottesville chủ yếu là do phát thải từ cơ sở MDS-Nordion tại phòng thí nghiệm Chalk River (Canada). Điều tương tự cũng xảy ra với trạm AU04 ở Melbourne (Úc) và NZ46 tại đảo Chatham (New Zealand), bị ảnh hưởng lớn bởi các phát thải từ cơ sở ANSTO và đối với GB68 (Tristanda Cunha, Vương quốc Anh) bị ảnh hưởng lớn bởi các phát thải từ cơ sở CNEA ở Argentina.
Hình 4. Đóng góp của các nguồn đã biết (tính bằng phần trăm) vào nền khí quyển Xe-133 trung bình hàng năm được mô phỏng tại 39 trạm IMS (đang hoạt động và theo kế hoạch; các trạm có cung cấp kết quả đo 2013-2014 được in đậm). Các MIP nằm ở Bắc bán cầu được hiển thị với thang màu xanh da trời (trừ Islamabad màu trắng); những MIP ở Nam bán cầu với thang màu đỏ. Tất cả các NPP được thể hiện trong một nhóm duy nhất, màu xám.
Mặt khác, đối với các trạm IMS khác, nền phông Xe-133 khí quyển là kết quả của sự trộn lẫn của nhiều nguồn. Điều này bao gồm các trạm IMS nằm trong khu vực chứa nhiều nguồn hoặc các khu vực lân cận chứa nhiều nguồn, nơi nồng độ hoạt động trung bình cao (ví dụ: SE63-Stockholm) hoặc tương đối cao (NO49-Spitsbergen, MN45-Ulaanbaatar, AU09-Darwin). Nó cũng bao gồm các trạm IMS xa xôi hẻo lánh, nơi nồng độ hoạt động trung bình thấp (ví dụ: US77-Wake Island và US79-Oahu).
Hình 4 cho thấy rằng phát thải từ các nguồn ở Bắc bán cầu góp phần vào nền phông khí quyển tại các trạm IMS chỉ nằm ở Bắc bán cầu và ngược lại ở miền Nam Bán cầu, ngoại trừ tại các trạm CM13 (Cameroon), ET25 (Ethiopia), FR31 (Guiana thuộc Pháp), NE48 (Nigeria) và TH65(Thái Lan). Tất cả các trạm này đều nằm trong khu vực có sự thay đổi theo mùa tại vị trí của khu vực hội tụ liên nhiệt đới (ITCZ). Do đó, kết quả cho thấy việc vận chuyển Xe-133 liên bán cầu của phát thải công nghiệp có thể xảy ra, nhưng tác động của nó chỉ giới hạn cho các trạm gần khu vực ITCZ.
Dự đoán sự phát hiện nền phông Xe-133 khí quyển
Hình 5. Sự xuất hiện hàng năm (tính bằng phần trăm) của nền phông Xe-133 khí quyển công nghiệp được mô phỏng lớn hơn ngưỡng nồng độ 0,2 mBq/m3 
Số lần phát hiện dự đoán nền phông Xe-133 khí quyển được ước tính bằng cách đếm số lần nồng độ hoạt độ Xe-133 được mô phỏng (trung bình 12 giờ) tại một vị trí cụ thể (mỗi nút của lưới tính toán hoặc vị trí của các trạm IMS) lớn hơn ngưỡng nồng độ 0,2 mBq/m3. Ngưỡng này đã được chọn vì nó là đại diện cho các nồng độ phát hiện tối thiểu (MDC) hiện tại điển hình của các hệ thống đo đạc.
Hình 5 trình bày kết quả dưới dạng bản đồ toàn cầu. Tính trung bình toàn cầu (trên tất cả các nút của lưới tính toán), các lần phát hiện nền phông Xe-133 khí quyển dự đoán là 12,2% (21,5% cho Bắc bán cầu và 3% cho Nam bán cầu). Các trạm IMS ở Bắc bán cầu có nhiều khả năng phát hiện nền khí quyển Xe-133 hơn các trạm IMS ở Nam bán cầu. Các trạm IMS bị ảnh hưởng nhiều nhất nằm ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Đông Á, tại đó sự phát hiện dự đoán của nền phông xe-133 khí quyển vượt quá 80%.
5. Kết luận và công việc tiếp theo
Trong khuôn khổ Hiệp ước Cấm thử hạt nhân toàn diện (CTBT), Trung tâm dữ liệu quốc tế (IDC) theo dõi tín hiệu của vụ thử vũ khí hạt nhân bằng các kết quả đo tại các trạm của Hệ thống giám sát quốc tế (IMS) và phân loại các dấu hiệu thích hợp, mà chúng được phân tích độc lập bởi Trung tâm dữ liệu quốc gia (NDC) của các nước thành viên. Trong số các hạt nhân phóng xạ quan tâm, xenon phóng xạ có tầm quan trọng đặc biệt để xác định bản chất hạt nhân của một vụ nổ.
Tuy nhiên, các đồng vị xenon phóng xạ trong khí quyển, đặc biệt là Xe-133, từ các hoạt động công nghiệp được phát hiện thường xuyên tại các trạm IMS và làm cho việc tách các dấu hiệu từ nguồn gốc công nghiệp với quân sự trở thành một thách thức thực sự. Do đó, việc đặc trưng hóa nền phông Xenon trong khí quyển bằng tính toán mô phỏng số là việc rất quan trọng. Với khả năng mới này, các NDC sẽ có quyền truy cập vào thông tin bổ sung mà chúng giúp phân biệt giữa các ứng dụng dân sự và quân sự, kết hợp với các phương pháp khác (mô hình tính toán ngược và phân tích tỷ lệ đồng vị) và kết hợp với dữ liệu khác từ các công nghệ khác của IMS (dữ liệu dạng sóng).
Cho mục tiêu nghiên cứu đặc trưng nền phông Xenon toàn cầu, sự phát tán khí  thải Xe-133 hàng ngày từ các cơ sở sản xuất đồng vị y tế (MIP) và các nhà máy điện hạt nhân (NPP) trên toàn thế giới đã được mô phỏng trong khoảng thời gian hai năm, 2013 và 2014. Các mô phỏng bao gồm lượng khí phát thải từ chín MIP (năm ở Bắc bán cầu, bốn ở Nam bán cầu) và 383 lò phản ứng đang hoạt động của 178 nhà máy điện hạt nhân, thải tổng cộng 48 TBq/ngày và 3,2 TBq/ngày, tương ứng. Phát tán lượng khí thải trung bình hàng ngày được tính trong khoảng thời gian 1 tháng, bao gồm 11.415 phép mô phỏng và sử dụng máy tính hiệu suất cao. Nồng độ hoạt độ được mô phỏng đã đưa ra giá trị trung bình hàng năm hoàn toàn phù hợp (trong phạm vi hệ số 2) và phân bố nồng độ hoạt độ Xe-133 được đo tại 29 trạm IMS (6000 giá trị đo trong hai năm đã được sử dụng trong so sánh). Các tính toán mô phỏng bao gồm các nguồn chính của Xe-133 công nghiệp trong khoảng thời gian xem xét (2013 -2014). Tuy nhiên, ở một số khu vực trên thế giới, các nhà sản xuất xenon phóng xạ vẫn còn ít được biết đến. Vì vậy, điều quan trọng là phải luôn cập nhật thông tin mới về sự phát thải Xenon công nghiệp.
Tính toán mô phỏng cho thấy sự phân phối toàn cầu của nền phông Xe-133 khí quyển từ các hoạt động công nghiệp có độ biến thiên lớn. Trung bình hàng năm, nồng độ hoạt độ được mô phỏng gần bề mặt đất thay đổi từ 0,01 mBq/m3 đến hơn 5 mBq/m3 và thể hiện sự thay đổi lớn theo vĩ độ. Các khu vực có nồng độ cao nằm tại vĩ độ trung và cao của Bắc bán cầu và ở vĩ độ giữa của bán cầu nam. Chủ yếu là do vị trí của các nguồn phát và hướng gió hiện hành, nền phông Xe-133 khí quyển tác động đến các khu vực của Bắc bán cầu lớn hơn các khu vực ở Nam bán cầu (mặc dù lượng phát thải gần tương đương: bốn MIP của Nam bán cầu thải ra hai phần ba lượng phát thải của 5 MIP của Bắc bán cầu). Cụ thể, các trạm nằm ở Bắc bán cầu bị ảnh hưởng nhiều hơn các trạm ở Nam bán cầu bởi sự tồn tại của nền phông Xe-133 công nghiệp. Các trạm bị ảnh hưởng nhiều nhất nằm ở Bắc Mỹ và Châu Âu, nơi nền phông Xe-133 khí quyển được phát hiện gần như hàng ngày (với MDC điển hình là 0,2mBq/m 3 ). Tính toán mô phỏng cũng cho thấy sự thay đổi theo mùa của nồng độ hoạt độ Xe-133, với số lần phát hiện Xe-133 nhiều nhất trong mùa đông, cho cả hai bán cầu, mặc dù mô hình được nhấn mạnh hơn ở Bắc bán cầu.
Tóm lại, để có thể đặc trưng hóa tốt nhất nền phông xenon khí quyển phục vụ cho công việc kiểm chứng hiệp ước CTBT, một số vấn đề cần quan tâm tiếp theo đối với tổ chức CTBTO và các tổ chức khoa học quốc tế cũng như các quốc gia thành viên có thể gồm:
 - Do số liệu thống kê phát thải hàng ngày rất có ích cho việc mô phỏng nền phông Xe-133 khí quyển, nên cần phải luôn cập nhật thông tin mới về sự phát thải Xenon công nghiệp từ các nguồn phát hiện có như MIP và NPP tại các hội thảo quốc tế liên quan đến khả năng phát thải từ các hoạt động công nghiệp.
- Cải thiện và phát triển các công cụ mô phỏng với độ chính xác cao hơn, tiện sử dụng cho người dùng. Cần thực hiện nhiều công việc nghiên cứu hơn nữa để hiểu rõ thêm về sự thay đổi nền phông xenon theo mùa.
- Phát triển thế hệ mới của hệ thống đo khí hiếm cho phép hiểu rõ hơn về nền phông xenon toàn cầu vì phát hiện được nhiều đồng vị hơn, có khả năng mô tả rõ hơn nguồn gốc phát thải xenon thông qua tỷ lệ đồng vị đo được. Do đó, để giám sát các vụ thử hạt nhân, sẽ cần phải đặc trưng hóa nền phông khí quyển của các đồng vị xenon quan tâm khác (Xe-131 m, Xe-133 m và Xe-135).
NTH, Cục ATBXHN
Tin bài khác
Online: 46
Số lượt truy cập: 6244049
Lên đầu trang